DE69200735T2 - Combustion air supply device for a combustion chamber of a turbomachine. - Google Patents
Combustion air supply device for a combustion chamber of a turbomachine.Info
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Description
Moderne Turbotriebwerke sind so gebaut, daß sie zwischen Leerlauf und Vollast mit sehr unterschiedlichen Drehzahlen laufen können. Es hat sich als notwendig herausgestellt, den Durchsatz des der Brennkammer zugeführten Sauerstoffträgers zu regeln: FR-A-2 028 599 beschreibt mehrere Varianten von Vorrichtungen zur Regelung des Durchsatzes des Sauerstoffträgers.Modern turbo engines are designed to run at very different speeds between idle and full load. It has been found necessary to regulate the flow rate of the oxygen carrier supplied to the combustion chamber: FR-A-2 028 599 describes several variants of devices for regulating the flow rate of the oxygen carrier.
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Durchsatzes des Sauerstoffträgers, die sowohl einfach wie auch präzise ist.This invention relates to a device for regulating the flow rate of the oxygen carrier which is both simple and precise.
Gegenstand der Erfindung ist eine Brennkammer einer Turbomaschine, bestehend aus: einem Brennraum, der von einer Wandung umgrenzt wird und in dessen Inneren die Verbrennung von Kraftstoff erfolgt; einem Außenraum, der den genannten Brennraum umschließt und der einen unter Druck stehenden Sauerstoffträger enthalten kann; und mehreren Zufuhröffnungen für den Sauerstoffträger, die durch die genannte Wandung hindurchführen und geeignet sind, die Verbindung zwischen dem Außenraum und dem Brennraum herzustellen.The subject of the invention is a combustion chamber of a turbomachine, comprising: a combustion chamber which is delimited by a wall and in the interior of which the combustion of fuel takes place; an external space which encloses said combustion chamber and which can contain a pressurized oxygen carrier; and several supply openings for the oxygen carrier which lead through said wall and are suitable for establishing the connection between the external space and the combustion chamber.
Erfindungsgemäß ist mindestens eine der genannten Zufuhröffnungen für den Sauerstoffträger mit einem Stutzen verbunden, der durch sie hindurch verläuft und in sie eingepaßt ist; der durch eine Vorrichtung mit Zufuhröffnungen mit dem Außenraum sowie durch eine Vorrichtung mit Verdrängungsöffnungen mit dem Brennraum in Verbindung steht, wobei das Innere des Stutzens die Verbindung zwischen den genannten Vorrichtungen mit Zufuhröffnungen und Verdrängungsöffnungen herstellt; und der eine Drehachse hat, um die herum er drehbar gelagert ist; während mindestens eine der genannten Vorrichtungen mit Zufuhröffnungen und Verdrängungsöffnungen unsymmetrisch bezogen auf die genannte Drehachse angeordnet ist.According to the invention, at least one of said supply openings for the oxygen carrier is connected to a nozzle which runs through it and is fitted into it; which is connected to the outside space by a device with supply openings and to the combustion chamber by a device with displacement openings, the interior of the nozzle establishing the connection between said devices with supply openings and displacement openings; and which has an axis of rotation around which it is rotatably mounted; while at least one of said devices with supply openings and displacement openings is arranged asymmetrically with respect to said axis of rotation.
Des weiteren werden bevorzugt die folgenden vorteilhaften Anordnungen vorgesehen:Furthermore, the following advantageous arrangements are preferably provided:
- die Vorrichtung mit Verdrängungsöffnungen des Stutzens weist einen Schnitt des genannten Stutzens in einer Ebene auf, die zu der genannten Drehachse geneigt ist;- the device with displacement openings of the nozzle has a section of said nozzle in a plane which is inclined to said axis of rotation;
- die Vorrichtung mit Zufuhröffnungen des Stutzens weist eine Öffnung auf, die durch die Wand des Stutzens hindurchreicht und bezogen auf die genannte Drehachse nicht symmetrisch angeordnet ist;- the device with supply openings of the nozzle has an opening which extends through the wall of the nozzle and is not arranged symmetrically with respect to the said axis of rotation;
- die Vorrichtung mit Zufuhröffnungen weist eine verstellbare Klappe auf, die eine Drosselmembran bildet;- the device with supply openings has an adjustable flap forming a throttle membrane;
- die Brennkammer weist mehrere Stutzen auf, die mit Zufuhröffnungen für einen Sauerstoffträger versehen sind, während jeder Stutzen an eine Vorrichtung zum Regeln seiner Drehung gekoppelt ist und die einzelnen Vorrichtungen zum Regeln der Drehung mit einer einzigen Steuervorrichtung verbunden sind.- the combustion chamber comprises a plurality of nozzles provided with feed openings for an oxygen carrier, while each nozzle is coupled to a device for regulating its rotation, and the individual devices for regulating the rotation are connected to a single control device.
Der Hauptvorteil der Erfindung liegt in der drehzahlabhängigen Modulation der Verteilung des Luftdurchsatzes auf die verschiedenen Öffnungen des Flammrohrs mittels beweglicher Elemente, die die Lösung darstellt, die die größte potentielle Ausbeute bei den verschiedenen Leistungen bietet. Denn es kann dadurch der Gehalt und die Verweildauer in der Primärzone in Abhängigkeit von den thermodynamischen Bedingungen eingestellt werden, um dann so nahe wie möglich an den Punkt des optimalen Betriebs heranzukommen.The main advantage of the invention lies in the modulation of the distribution of the air flow rate to the various openings of the flame tube, depending on the speed, by means of movable elements, which represents the solution that offers the greatest potential yield for the various power levels. This is because it allows the content and the residence time in the primary zone to be adjusted depending on the thermodynamic conditions in order to then get as close as possible to the point of optimum operation.
Aus der folgenden, als Beispiel geltenden Beschreibung wird die Erfindung besser verständlich und gehen auch Nebenmerkmale und ihre Vorteile hervor.The following description, which is given as an example, will help to better understand the invention and will also show secondary features and their advantages.
Selbstverständlich dienen die Beschreibung und die Zeichnungen nur zur Darstellung und sind nicht einschränkend.Of course, the description and drawings are for illustrative purposes only and are not restrictive.
Es wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobeiReference is made to the drawings, where
Fig. 1 einen axialen Schnitt einer erfindungsgemäßen Brennkammer zeigt,Fig. 1 shows an axial section of a combustion chamber according to the invention,
Fig. 2 und Fig. 3 vergrößerte axiale Schnitte der Einzelheit A von Fig. 1 in zwei verschiedenen Konfigurationen zeigen,Fig. 2 and Fig. 3 show enlarged axial sections of detail A of Fig. 1 in two different configurations,
Fig. 4 und Fig. 5 axiale Schnitte analog zu denen der Figuren 2 und 3 von einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung in zwei unterschiedlichen Betriebskonfigurationen zeigen, undFig. 4 and Fig. 5 show axial sections analogous to those of Figures 2 and 3 of a further embodiment according to the invention in two different operating configurations, and
Fig. 6 einen axialen Schnitt analog zu dem von Fig. 2 von einer dritten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt.Fig. 6 shows an axial section analogous to that of Fig. 2 of a third embodiment according to the invention.
Die Brennkammer von Fig. 1 ist ringförmig mit der Achse 1 und weist eine Innenwandung 2 und eine Außenwandung 3 auf, die zwischen sich den Brennraum 4 definieren, sowie ein Gehäuse 5, in dem sich der genannte Brennraum 4 befindet, wobei dieses Gehäuse 5 seinerseits von einem Innenmantel 6 und einem Außenmantel 7 umgrenzt wird.The combustion chamber of Fig. 1 is ring-shaped with the axis 1 and has an inner wall 2 and an outer wall 3 which define the combustion chamber 4 between them, as well as a housing 5 in which the said combustion chamber 4 is located, wherein this housing 5 is in turn delimited by an inner casing 6 and an outer casing 7.
In klassischer Weise ist der Brennraum 4 an einem seiner Enden mit einer Treibstoffeinspritzvorrichtung 8 versehen, die mit einer Hauptzufuhrvorrichtung 9 für Sauerstoffträger verbunden ist, und weist an seinem anderen Ende eine Auslaßöffnung 10 für die verbrannten Gase auf. Das Gehäuse 5 enthält ferner während des Betriebs der Brennkammer einen komprimierten Sauerstoffträger wie z. B. komprimierte Luft, die von einer mit dem Pfeil F dargestellten Quelle für einen komprimierten Sauerstoffträger stammt, im allgemeinen von einem Luftkompressor.Conventionally, the combustion chamber 4 is provided at one of its ends with a fuel injection device 8 connected to a main oxidizer supply device 9 and has at its other end an outlet opening 10 for the burnt gases. The housing 5 also contains, during operation of the combustion chamber, a compressed oxidizer such as compressed air coming from a compressed oxidizer source shown by the arrow F, generally from an air compressor.
Durch die Innenwandung 2 und die Außenwandung 3 verlaufen Öffnungen 11 zur zusätzlichen Zufuhr von Sauerstoffträger, die das Gehäuse 5 mit dem Brennraum 4 verbinden, Öffnungen 11 zur Zufuhr von Sekundär- und/oder Verdünnungssauerstoffträger. Weitere Öffnungen 12 stellen ebenfalls eine Verbindung zwischen dem Gehäuse 5 und dem Brennraum 4 her und werden unten näher beschrieben.Openings 11 for the additional supply of oxygen carriers, which connect the housing 5 to the combustion chamber 4, and openings 11 for the supply of secondary and/or diluent oxygen carriers run through the inner wall 2 and the outer wall 3. Additional openings 12 also establish a connection between the housing 5 and the combustion chamber 4 and are described in more detail below.
Die Öffnung 12 in den Figuren 2 und 3 verläuft durch die Außenwandung 3, die dazu eine Öffnung 13 aufweist.The opening 12 in Figures 2 and 3 runs through the outer wall 3, which has an opening 13 for this purpose.
Eine zylindrische Leitung 14 weist ein erstes, querverlaufendes Ende in Form eines senkrecht zur Achse 16 der genannten Leitung 14 verlaufenden Flanschs 15 auf, das eine Öffnung 26 besitzt, sowie ein zweites querverlaufendes Ende in einer Ebene P, die zur Achse 16 der Leitung 14 geneigt ist und daher eine Art Schnabel 17, im Schnitt betrachtet, und eine Öffnung 36 aufweist. Ein Plättchen 18 als Stützplättchen ist an der Außenseite der Innenwandung 3 festgeschraubt 19 und weist eine Öffnung 20 auf. Ein rohrförmiger Abschnitt 21 ist mit seiner Innenwand 22 ausgerichtet und fest verbunden mit der Außenseite 23 der zylindrischen Leitung 14, ist mit seiner Außenwand 24 drehbar innerhalb der Öffnung 20 des Plättchens 18 angebracht, und ist mit einem Querflansch 25 versehen, der senkrecht zur Achse 16 der zylindrischen Leitung 14 verläuft.A cylindrical conduit 14 has a first transverse end in the form of a flange 15 perpendicular to the axis 16 of said conduit 14 and having an opening 26, and a second transverse end in a plane P inclined to the axis 16 of the conduit 14 and therefore has a kind of beak 17, viewed in section, and an opening 36. A plate 18 as a support plate is screwed 19 to the outside of the inner wall 3 and has an opening 20. A tubular section 21 is aligned with its inner wall 22 and firmly connected to the outside 23 of the cylindrical duct 14, is mounted with its outer wall 24 so as to be rotatable within the opening 20 of the plate 18, and is provided with a transverse flange 25 which runs perpendicular to the axis 16 of the cylindrical duct 14.
Nach dem Zusammenbau wird die Gesamtanordnung der zylindrischen Leitung 14 und des rohrförmigen Abschnitts 21 praktisch ohne Spiel drehbar zur Öffnung 20 des Plättchens 18, d. h. auch zur Außenwandung 3 angebracht, und die Kante der Öffnung 13 der genannten Außenwandung 3 ist zwischen dem Plättchen 18 und dem Flansch 25 des rohrförmigen Abschnitts 21 praktisch ohne Spiel angeordnet. Auf diese Weise sind die zylindrische Leitung 14 und ihr Innenschnabel 17 um die Achse 16 drehbar.After assembly, the entire assembly of the cylindrical duct 14 and the tubular portion 21 is mounted so as to be rotatable with practically no play relative to the opening 20 of the plate 18, i.e. also relative to the outer wall 3, and the edge of the opening 13 of the said outer wall 3 is arranged between the plate 18 and the flange 25 of the tubular portion 21 with practically no play. In this way, the cylindrical duct 14 and its inner beak 17 are rotatable about the axis 16.
Wenn sich der Schnabel 17 in Bezug zur Fließrichtung H der Gase innerhalb des Brennraums 4 vor der Achse 16 befindet, strömt der komprimierte Sauerstoffträger gemäß dem Pfeil J durch die Öffnung 12 und gelangt im wesentlichen in der Richtung des Pfeils H in den Brennraum 4 (Fig. 2).When the beak 17 is located in front of the axis 16 with respect to the flow direction H of the gases within the combustion chamber 4, the compressed oxygen carrier flows according to the arrow J through the opening 12 and enters the combustion chamber 4 essentially in the direction of the arrow H (Fig. 2).
Wenn sich jedoch der Schnabel 17 in Bezug zur Fließrichtung H der Gase hinter der Achse 16 befindet, strömt der komprimierte Sauerstoffträger durch die Öffnung 12 und gelangt, im wesentlichen in Gegenrichtung zum Pfeil H, in der Richtung des Pfeils K in den Brennraum 4 (Fig. 3).However, if the spout 17 is located behind the axis 16 with respect to the flow direction H of the gases, the compressed oxygen carrier flows through the opening 12 and enters the combustion chamber 4 in the direction of the arrow K, essentially in the opposite direction to the arrow H (Fig. 3).
Die Ausführung in den Figuren 4 und 5 gleicht der in den Figuren 2 und 3, abgesehen von folgender Besonderheit: Die zylindrische Leitung 14 wird über den Flansch 15 hinaus aus dem Brennraum 4 austretend durch einen Abschnitt 27 verlängert, dessen Ende einen Verschlußboden 28 dieses Abschnitts bildet und durch dessen zylindrische Wandung eine Verbindungsöffnung 29 zwischen dem Gehäuse 5 und dem Inneren 12 des Abschnitts 27 und der Leitung 14 verläuft.The design in Figures 4 and 5 is similar to that in Figures 2 and 3, apart from the following special feature: The cylindrical line 14 is extended beyond the flange 15, exiting from the combustion chamber 4, by a section 27, the end of which forms a closure base 28 of this section and through whose cylindrical wall a connecting opening 29 runs between the housing 5 and the interior 12 of the section 27 and the line 14.
Der komprimierte Sauerstoffträger wird in das Gehäuse 5 in einem Strom mit der Richtung L eingeführt (im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung H der Gase in dem Brennraum 4) und durchquert die Öffnung 12 der Leitung 14 entweder in Richtung des Pfeils M (Fig. 4), wobei er einerseits in die Öffnung 12 eindringt, indem er direkt durch die Öffnung 29 strömt, die wie der Schnabel 17 in Bezug auf die Strömungsrichtung H der Gase vor der Achse 16 liegt, und andererseits im wesentlichen in gleicher Richtung wie der Richtung H in den Brennraum 4 gelangt, oder aber in Richtung des Pfeils N (Fig. 5), wobei er einerseits um die Wandung des Abschnitts 27 strömt, um in die Öffnung 12 einzutreten, indem er durch die Öffnung 29 strömt, die nun in Bezug auf die Strömungsrichtung H hinter der Achse 16 liegt, und andererseits in Gegenrichtung zur Richtung H in den Brennraum 4 gelangt.The compressed oxygen carrier is introduced into the housing 5 in a flow in the direction L (substantially parallel to the flow direction H of the gases in the combustion chamber 4) and passes through the opening 12 of the pipe 14 either in the direction of the arrow M (Fig. 4), on the one hand entering the opening 12 by flowing directly through the opening 29 which, like the spout 17, is located in front of the axis 16 with respect to the flow direction H of the gases, and on the other hand entering the combustion chamber 4 in a direction substantially the same as the direction H, or in the direction of the arrow N (Fig. 5), on the one hand flowing around the wall of the section 27 to enter the opening 12 by flowing through the opening 29 which is now located behind the axis 16 with respect to the flow direction H, and on the other hand entering the combustion chamber in the opposite direction to the direction H. 4.
Bei einer Variante dieser Ausführung kann der Schnabel 17 sich auf der von der Öffnung 29 abgewandten Seite befinden.In a variant of this design, the beak 17 can be located on the side facing away from the opening 29.
Schließlich kann bei einer Ausführung analog zu der in den Figuren 4 und 5 mit oder ohne Schnabel 17 eine Büchse zur Regelung des Durchsatzes durch die Öffnung 12 vorgesehen werden. Die Ausführung von Fig. 6, die analog zu der von Fig. 4 ist, jedoch ohne Schnabel 17, weist eine derartige Büchse auf.Finally, in an embodiment analogous to that in Figures 4 and 5, with or without a spout 17, a bushing can be provided for regulating the flow through the opening 12. The embodiment of Fig. 6, which is analogous to that in Fig. 4, but without a spout 17, has such a bushing.
Bei dieser Ausführung erstreckt sich der rohrförmige Abschnitt 21 über das Plättchen 18 hinaus bis in die Nähe eines quer verlaufenden Außenrands 31, der den Boden 28 des Abschnitts 27 verlängert. Der rohrförmige Abschnitt 21 enthält eine Öffnung 32, die konstant gegenüber der Öffnung 29 des rohrförmigen Abschnitts 27 angeordnet ist. Die Büchse 30 hat eine Öffung 33, die gegenüber den Öffnungen 29 und 32 angeordnet sein kann. Diese Büchse kann hingegen um die Achse 16 mittels eines Hebels 34 gedreht werden, der fest mit ihr verbunden ist und durch ein Loch 35 hindurch verläuft, das in der Wandung des Abschnitts 27 ausgeführt ist und der Öffnung 32 gegenüberliegt, und kann die Öffnungen 32 und 29 teilweise und bei manchen Ausführungen sogar vollständig verschließen. Auf diese Weise ist eine Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge durch die Öffnung 12 geschaffen, die zu der Möglichkeit des Drehens der Gesamtanordnung der Leitung 14, des rohrförmigen Abschnitts 21 und der Büchse 30 um die Achse 16 hinzukommt. Wie bereits angegeben, läßt die Ausführung von Fig. 6 das Hinzufügen eines Schnabels am inneren Ende der Leitung 14 analog zu dem Schnabel 17 in den Figuren 2 und 3, 4 und 5 zu.In this embodiment, the tubular portion 21 extends beyond the plate 18 to the vicinity of a transverse outer edge 31 which extends the bottom 28 of the portion 27. The tubular portion 21 comprises an opening 32 which is constantly arranged opposite the opening 29 of the tubular portion 27. The bush 30 has an opening 33 which can be arranged opposite the openings 29 and 32. This bush can, however, be rotated about the axis 16 by means of a lever 34 which is integral with it and which passes through a hole 35 made in the wall of the portion 27 and opposite the opening 32, and can partially and, in certain embodiments, even completely close the openings 32 and 29. In this way, a device for regulating the flow rate through the opening 12 is created which allows the entire assembly to be rotated. of the conduit 14, the tubular portion 21 and the sleeve 30 about the axis 16. As already indicated, the embodiment of Fig. 6 allows the addition of a beak at the inner end of the conduit 14 analogous to the beak 17 in Figs. 2 and 3, 4 and 5.
Es ist ebenfalls selbstverständlich, daß die Drehbetätigungsvorrichtungen der verschiedenen zylindrischen Leitungen 14 vorteilhaft, zum Beispiel mit einzelnen Zahnrad-Zahnstangen-Systemen, an eine einzige Antriebsvorrichtung zur gleichzeitigen Regelung der Drehbewegungen aller Leitungen 14 gekoppelt sind. Analog dazu ist eine einzige Antriebsvorrichtung zur gleichzeitigen Regelung der Drehbewegungen aller Büchsen 30 der Ausführung gemäß Fig. 6 an die verschiedenen Hebel 34 zur Regelung der Drehbewegung der genannten Büchsen gekoppelt und ermöglicht die gleichzeitige Regelung der Sauerstoffträger-Durchsätze durch die Öffnungen 12.It is also obvious that the rotary actuators of the various cylindrical conduits 14 are advantageously coupled, for example with individual gear-rack systems, to a single drive device for the simultaneous control of the rotary movements of all the conduits 14. Similarly, a single drive device for the simultaneous control of the rotary movements of all the bushes 30 of the embodiment according to Fig. 6 is coupled to the various levers 34 for controlling the rotary movement of the said bushes and enables the simultaneous control of the oxygen carrier flow rates through the openings 12.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Ausführung läßt eine Änderung der Einführrichtung (Pfeile J oder K) des in den Brennraum 4 zugeführten Sauerstoffträgers bezogen auf die allgemeine Strömungsrichtung H der Gase in dem genannten Brennraum 4 zu. Die Dauer der Überführung des Sauerstoffträgers kann also mit diesem Mittel geregelt werden, wobei diese Regelung dazu dienlich ist, daß ein Betrieb bei sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf zufriedenstellende Weise, bisher nahezu unmöglich, erzielt werden kann, wie zum Beispiel ein Vollastbetrieb und ein Leerlaufbetrieb.The embodiment shown in Figures 2 and 3 allows a change in the direction of introduction (arrows J or K) of the oxygen carrier fed into the combustion chamber 4 with respect to the general flow direction H of the gases in said combustion chamber 4. The duration of the transfer of the oxygen carrier can therefore be regulated by this means, this regulation being useful for achieving operation at very different speeds in a satisfactory manner, which was previously almost impossible, such as, for example, full load operation and idle operation.
Die in den Figuren 4 und 5 dargestellte Ausführung beinhaltet bereits den Vorteil der gleichen Regelungsweise wie die vorherige. Ferner kann durch die Asymmetrie der Position der Öffnung 29 zur Achse 16 entweder die kinetische Energie des Sauerstoffträgerstroms genutzt werden (Fig. 4), der in der Richtung L in das Gehäuse 5 eingeführt wird, und der Sauerstoffträger gemäß dem Pfeil M einerseits parallel zur Richtung H, andererseits unter einem relativ hohen Druck, der die Summe des statischen Drucks des Sauerstoffträgers und seiner in Druck verwandelten kinetischen Energie ist, in den Brennraum 4 zugeführt werden, oder aber die kinetische Energie des in das Gehäuse 5 eingeführten Sauerstoffträgerstroms nicht genutzt werden (Fig. 5), und stattdessen der Sauerstoffträger in Richtung des Pfeils N, die im wesentlichen entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils H ist, in den Brennraum 4 zugeführt werden.The embodiment shown in Figures 4 and 5 already includes the advantage of the same control method as the previous one. Furthermore, the asymmetry of the position of the opening 29 with respect to the axis 16 makes it possible to use either the kinetic energy of the oxygen carrier flow (Fig. 4) which is introduced into the housing 5 in the direction L, and the oxygen carrier is fed into the combustion chamber 4 according to the arrow M on the one hand parallel to the direction H, on the other hand under a relatively high pressure, which is the sum of the static pressure of the oxygen carrier and its kinetic energy converted into pressure, or the kinetic energy of the oxygen carrier flow introduced into the housing 5 not be used (Fig. 5), and instead the oxygen carrier is fed into the combustion chamber 4 in the direction of arrow N, which is substantially opposite to the direction of arrow H.
Der Gradient der Regelung der Überführungsdauer der Gase ins Innere des Brennraums 4 ist höher als der bei der Ausführung in den Figuren 2 und 3.The gradient of the control of the transfer time of the gases into the interior of the combustion chamber 4 is higher than that in the design in Figures 2 and 3.
Bei der Ausführung in Fig. 6 kann ferner der Wert auf den Durchsatz des in den Brennraum 4 eingeführten Sauerstoffträgers geregelt werden. Es wird daran erinnert, daß diese Lösung des weiteren mit denen verträglich ist, die am inneren Ende der zylindrischen Leitung 14 einen Schnabel 17 vorsehen (Figuren 2 bis 5).In the embodiment shown in Fig. 6, it is also possible to adjust the value of the flow rate of the oxygen carrier introduced into the combustion chamber 4. It is recalled that this solution is also compatible with those which provide a spout 17 at the inner end of the cylindrical pipe 14 (Figs. 2 to 5).
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